Иновационные технологии

                                            Содержание 

Введение……………………………………………………………………….3

1. Основы теории  пайки металлов…………………………………………5

1.1. Характерные  особенности и сущность процесса………………………..5

1.2. Пайка как  сложный физико-химический процесс……………………....9

1.3. Технологические  способы пайки металлов…………………………….15

2. Технологии пайки  металлов…………………………………………….24

2.1.Технологические  аспекты процесса пайки……………………………...24

2.2. Технологии  пайки нового поколения…………………………………...27

3.Иновационные  технологии……………………………………………… 33

Заключение…………………………………………………………………..34

Список  использованной  литературы…………………………………….36

Приложения…………………………………………………………………..38 
 

                                                Введение                                            

     Задача  соединения различных металлов и  сплавов стоит перед человечеством очень давно. В процессе развития научной мысли удалось достигнуть многого в этом направлении. Быстрота, экономичность и прочность — вот главные преимущества, которые позволили пайке получить широкое признание во всех областях народного хозяйства. Сейчас можно сваривать металл толщиной от нескольких микрон (микроплазменная сварка на малых токах) до нескольких метров (сварочные автоматы промышленного применения). Такими же достоинствами обладает и резка металлов на основе использования электрической дуги и газового пламени. Но чем дальше, тем больше на первое место выходят такие перспективные направления, как лазерная, плазменная, электронно-лучевая плавка и резка металлов. Большие перспективы у воздушно-плазменной резки из-за ее дешевизны и эффективности. Степень автоматизации таких процессов достаточно высока.

     Актуальность  курсовой работы определяется тем, что  в современном производстве существуют различные системы процессов формирования изделий. Особенно важное значение имеет формирование изделий из твердых кристаллических тел путем их соединения, разъединения, сращивания, наращивания и разделения. Эти процессы могут быть осуществлены как без расплавления твердых тел, так и с их плавлением.

     В соответствии с определением пайки  температура ликвидуса припоя или  его легкоплавкой составляющей (при металлокерамической пайке) должна быть ниже температуры солидуса паяемого металла.

     Степень изученности. Существенным вкладом в пайке металлов стали работы таких ученых, как Г.А. Абрамова, А.И. Рубина, А.М. Дальски, П. Клейна, О.В. Левадного, Н.Ф. Лашко.

     Объектом  курсового проекта является пайка металлов, предмет исследования - новые технологии пайки металлов. 

      Целью курсовой работы является характеристика и анализ новых технологий пайки металла.

     Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

     1)      дать характеристику пайки металла;

     2)      охарактеризовать виды пайки;

     3)      рассмотреть технологический процесс  пайки металлов.

     Структура курсовой работы. Курсовая работа, включает в себя: введение, раздел I. Основы теории пайки металлов. Раздел П. Технологии пайки металла, заключение и список источников и литературы. 

              1. Основы теории пайки металлов

1.1. Характерные особенности  и сущность процесса

     В зависимости от температуры плавления  и прочности применяемых припоев пайка разделяется на мягкую и твердую. При мягкой пайке используют сравнительно легкоплавкие припои с температурами плавления не выше 300° С, которые обеспечивают получение паяных швов с пределами прочности от 3 до 10 кг/мм2. При твердой пайке применяют припои с температурами плавления выше 300—400° С; прочность паяных соединений в этом случае достигает 30— 50 кг-/мм².

     Общим для процессов пайки черных и  цветных металлов является 
обязательное выполнение следующих условий, которые предопределяют 
возможности пайки и ее качество: Очистка поверхности деталей от пыли, жира, 
краски и выбор флюса, обеспечивающего активное растворение окисной 
пленки на поверхности основного металла и припоя. Окисная 
пленка является главным препятствием пайке, а ее свойства, 
толщина и скорость образования неодинаковы, для различных 
металлов. [1]

     Выбор состава припоя способного смачивать  и растворять твердый металл паяемых  деталей с образованием оптимального внутреннего строения паяного шва. Обеспечение между соединяемыми поверхностями гарантийных зазоров, величина которых не противоречит известным законам течения жидкостей по капиллярам и способствует повсеместному затеканию припоев. Равномерный нагрев деталей до температуры на 50—100° С, превышающей точку начала затвердевания соответствующего припоя.

     Процесс пайки заключается в следующем: по достижении соответствующей температуры припой расплавляется и, соприкасаясь с

нагретым, но свободным от окисной пленки основным металлом, смачивает и растекается по его поверхности. Смачивание твердого металла жидким припоем происходит в том случае, если сила сцепления между молекулами твердого тела и жидкостью будет больше, чем между молекулами самой жидкости. Возможность смачивания определяется в основном поверхностным натяжением жидкого припоя. В результате растворяющего действия жидкого припоя в местах смачивания основной металл деталей растворяется в припое. Благодаря процессу растворения на границе «твердый металл — жидкий припой» образуется слой насыщенного раствора, из которого частицы основного металла диффундируют в припой, а его частицы в основной металл. Взаимное проникновение одного металла в другой приводит к тому, что в паяном шве образуется определенная промежуточная структура сплава, механические свойства которого отличны от основного металла и припоя.

     Процессы  растворения и взаимной диффузии металлов имеют решающее значение для получения оптимального строения паяного шва. Благодаря им структура паяного шва может представлять твердый раствор основного металла в припое или же их химическое соединение. Образование твердого раствора в паяном шве является наиболее желательным для придания шву прочности и устойчивости против коррозии.

     К выбору состава припоя для пайки  металла следует подходить с  учетом его способности смачивать и растворять твердый металл, обеспечивать взаимную диффузию и образовывать в паяном шве структуру твердого раствора.

     По  коэффициентам теплового расширения припои и соединяемые ими металлы должны быть максимально близкими, в противном случае напряжения, возникающие в паяных швах, могут привести к трещинам.[4] Перед пайкой поверхность деталей и припоя необходимо очистить от пыли, жира, краски и

окисной пленки. Удаление внешних загрязнений (пыли, жира и краски) не представляет трудностей. Но после очистки поверхность всех металлов, в том числе и припоя, имеет окисную пленку, толщина и свойства которой различны для отдельных металлов и сплавов. При пайке окисная пленка не позволяет расплавленному припою войти в контакт с чистым металлом деталей: припой не смачивает и не растекается по поверхности основного металла.

     Для очистки поверхностей деталей и  припоя от окисных пленок и для  предохранения очищенных поверхностей от повторного окисления наиболее широко применяют химические реагенты, получившие названия паяльных флюсов. По характеру действия на окисную пленку флюсы разделяют на две группы. К первой относят флюсы, которые активно воздействуют на пленки и, растворяя их, создают условия для беспрепятственного контакта жидкого припоя с основным металлом. Примером таких флюсов могут служить хлористый цинк, хлористый аммоний, борная кислота, бура, тетрафторборат калия, флюсы ЛТИ, 34А, Ф380А, Ф59А и др. [5]

     Флюсы второй группы во время нагрева и  пайки почти не взаимодействуют с окисными пленками металлов, а служат лишь для защиты от повторного окисления поверхности металла, ранее очищенной от окисной пленки. К флюсам этой группы относятся канифоль, ее растворы в спирте, парафин и др.

     Помимо  флюсов, для предотвращения окисления  металла и удаления с его поверхности окисных пленок нагреваемый металл изолируют от окисляющей среды и создают условия для восстановления ранее образовавшихся окисных пленок. Практически это достигается тем, что нагрев и пайку производят в восстановительной атмосфере или под вакуумом. Восстановительной средой может быть водород или диссоциированный аммиак, легко восстанавливающие металлы из окисных пленок. Перечисленные способы удаления окисных пленок должны обеспечить свободный доступ жидкому припою для смачивания поверхности основного металла в процессе его нагрева и пайки. Смачивание и растекание жидкого припоя неразрывно связаны с явлениями капиллярности, благодаря которым достигается затекание припоя в зазоры на глубину десятков миллиметров. Все эти явления подчиняются общим физическим законам течения жидкостей по капиллярам. Как известно, высота поднятия жидкости в капилляре пропорциональна поверхностному натяжению ее и обратно пропорциональна радиусу капилляра и плотности жидкости.

     Применительно к пайке определенным припоем  при заданной температуре поверхностное  натяжение и плотность жидкого  припоя являются величинами постоянными. Следовательно, решающей в затекании припоя будет величина радиуса капилляра, или иначе — величина зазора между соединяемыми поверхностями деталей, которая меняется в зависимости от назначенных допусков, точности подгонки деталей и коэффициента линейного расширения металла. [15]

     На  затекание припоя и образование  нормальных галтелей (менисков) наряду с величиной зазоров существенно влияют тип шва, технологические припуски, фаски, отсутствие заусениц и возможность свободного расширения соединяемых деталей при температуре пайки.

                  1.2. Пайка как сложный физико-химический процесс

     Пайка - сложный физико-химический процесс  получения соединения в результате взаимодействия твердого паяемого (основного) и жидкого присадочного металла (припоя). Паяное соединение неоднородно по строению и составу. Паяный шов включают в себя спаи, диффузионные зоны и место припоя кристаллизовавшегося в зазоре между деталями с при кристаллизованными ионами.

     Пайка - процесс соединения материалов, находящихся  в твёрдом состоянии, расплавленным припоем. При пайке происходят взаимное растворение и диффузия основного материала и припоя, который заполняет зазор между соединяемыми частями изделия. В результате пайки получают неразъёмные соединения в изделиях из стали, чугуна, стекла, графита, керамики, синтетических и др. материалов. Многочисленные способы пайки классифицированы государственными стандартами по средствам нагрева, условиям заполнения зазора, методам очистки поверхности, образованию шва и др. [13] Наиболее распространена пайка металлов, которую условно делят на пайку твёрдыми и мягкими припоями. При пайке твёрдыми припоями нагрев мест пайки осуществляют газовыми горелками, электрической дугой, токами высокой частоты в муфельных, туннельных и др. печах. Пайка мягкими припоями производят паяльниками, газовыми горелками, погружением в ванны с расплавленным припоем и др.

     Спай - переходный слой, образующийся в результате вследствие физико-химического взаимодействия расплавленного припоя с паяемым металлом. Контактная поверхность плавится в результате теплообмена с припоем. Диффузионная зона - результат взаимной диффузии припоя и паяемого металла. При кристаллизованная зона - результат концентрирована в области спая тугоплавких компонентов при кристаллизации расплава.

         Прочностные характеристики паяного соединения определяется возникновением химических связей между пограничными слоями припоя и паяемого металла (адгезией), а также сцеплением частиц внутри припоя или паяемого металла между собой (когезией).

Особенности процесса кристаллизации вызваны:

- малым  зазором (0,05.. .0,07 мм) между деталями;

- различием  химических составов припоя и  паяемого металла;

кратковременностью    физико-химических    взаимодействий    между соединяемыми металлами расплавом припоя и газовой средой. [11]

     Вследствие  малого зазора, в процессе пайки  между деталями образуется незначительное количество жидкого припоя, активно взаимодействующего с паяемыми металлами. В жидкий припой, вследствие диффузии, попадают примеси, а в металл переходят некоторые компоненты припоя. Изменение жидкой фазы приводит к изменению структуры металла шва и температуры кристаллизации.

     Процесс пайки включает операции:

     1. Подготовка поверхности: очистка  механическим или физическим  способом, создание определенной шероховатости поверхности.

     2. Лужение поверхности: покрытие  соединяемых поверхностей тонким  слоем припоя; нагревание соединяемых поверхностей до 1: плавления припоя; их соединение с небольшим давлением.

3. Очистка места пайки от остатков  флюса. Бывают следующие виды припоев:

- мягкие  минус 1; плавления меньше 400": оловянно-свинцовые.

- твердые  минус 1; плавление больше 400": медные (1100"), медно-свинцовые (900"), серебряные (600-800").

           Для очистки поверхности от окиси и для улучшения смачиваемости применяют специальные примеси примеси — флюсы. Виды флюсов:

     1. Кислотные (на основе хлористых  соединений): 2пС12, МН4О. Хорошо очищают  поверхности, но остатки окиси  флюсов вызывают коррозию, поэтому  необходимо их удалять;

     2. Конефольная смесь из смоляных  кислот из сока дерева обладает  мягким очищающим действием при 1; = 150'С, может служить хорошим изолятором.

     3. Кислотные флюсы: бура Ма2В4О7, борная кислота В(ОН)3. Остатки  флюсов нужно удалять - опасность коррозии. [16]

     Пайка как процесс определяется следующими основными факторами: физическими - температурой, давлением; физико-химическими - наличием припоя и флюса, характером взаимодействия паяемого металла с припоем, кристаллизации шва; конструктивными - величиной зазора и нахлестки; технологическими - характером и способом нагрева, характером выполнения операций, характером введения припоя в зазор.

     По  температуре различают низкотемпературную и высокотемпературную пайки. Условной границей этих двух способов принята температура 450° С. Целесообразность такого деления обусловлена тем, что технологические материалы (припои, флюсы, газовые среды) и оснащение для низкотемпературной и высокотемпературной пайки обычно существенно различаются.

     Давление  как параметр процесса пайки до недавнего  времени использовалось редко. Пайку выполняли главным образом с фиксированным зазором. Однако возможность повышения прочности паяных соединений в результате взаимной диффузии депрессантов припоя в основной металл и легирующих элементов паяемого металла в шов и необходимость сокращения времени процесса диффузионной пайки требовали удаления значительной части

припоя  из зазора после смачивания им паяемого металла. В связи с этим появилась пайка давлением (прессовая пайка).

     Готовность  припоя как важнейшего технологического материала, определяющая многие особенности процесса, также необходимый фактор пайки. Припой может быть заранее изготовлен, но может образоваться и в процессе пайки в результате контактно-реактивного, контактного твердо-газового плавления или восстановления металлов из компонентов флюсов. Поэтому возникла необходимость разделения на способы пайки готовым припоем и без готового припоя.

     Удалить окисные пленки с поверхности  паяемого металла и припоя (необходимое условие введения их в контакт) можно применением паяльных флюсов или без них. В последние 30 лет высокие требования по коррозионной стойкости паяных изделий и стремление уменьшить количество технологических операций при пайке привели к необходимости расширения применения бес флюсовой пайки. Число технологических вариантов бес флюсовой пайки в настоящее время продолжает увеличиваться, а старые варианты ее совершенствоваться. Наряду с этим флюсовая пайка остается во многих случаях широко применяемым процессом.

     Качество  паяных соединений определяется характером физико-химических процессов, происходящих при пайке между паяемым металлом и припоем. Обычно паяный шов затвердевает в процессе охлаждения. [9]

     С развитием особенно перспективного способа — диффузионной пайки, при котором паяный шов затвердевает при температурах выше температуры солидуса припоя, в результате чего обеспечивается высокая прочность паяного соединения, возникла необходимость подразделения способов пайки и по температуре затвердевания паяного шва.

       Пайка как технологический процесс получения соединений нашла особенно широкое применение для тех случаев, когда зазор между соединяемыми деталями капиллярный. Это обеспечивает самопроизвольное заполнение зазора припоем под действием капиллярных сил, поэтому такой способ пайки и получил название капиллярного.

     Появление в технике крупногабаритных тонкостенных узлов все более затрудняло возможность обеспечения при сборке равномерных всюду капиллярных зазоров между соединяемыми деталями, что приводило к появлению непропаев, снижению высоты подъема припоя и другим дефектам. В связи с этим некапиллярная пайка также получила интенсивное развитие. В новых способах некапиллярной пайки использована возможность подъема жидкого припоя в некапиллярном зазоре под действием давления на соединяемый металл силы тяжести, отрицательного давления в капиллярном зазоре, магнитных сил, электромагнитных сил и др. При некапиллярных зазорах получили применение композиционные, в частности, металлокерамические припои. Такие припои плохо или вообще не растекаются и потому их предварительно размещают (укладывают) в зазоре; следовательно, способ введения припоя также является существенным технологическим признаком способа пайки, который, однако, не всегда подчеркивают в названии способа.

     Способы пайки определяются также и по источнику нагрева. К старым способам пайки паяльником, горелкой, электросопротивлением, в печи, электролитному в последнее двадцатилетие прибавились новые способы с использованием новых источников нагрева в виде света, лазера, теплоты химических реакций, потока ионов в тлеющем разряде, инфракрасного излучения, волны припоя, электронного луча.

             Старые способы непрерывно совершенствуются. Характерно развитие способа пайки паяльником: от паяльника, нагреваемого на горне, до игольчатого микроэлектропаяльника, применяемого в радиоэлектронной и радиотехнической промышленности, и паяльника с автоматизированной подачей припоя и регулировкой температуры.

     Современные способы пайки по источнику нагрева  основываются главным образом на подводе тепловой энергии путем конвекции в общим нагревом, или контактным подводом тепловой энергии путем теплопроводности, или излучением, для которых характерен преимущественно локальный нагрев.

     Таким образом, процесс пайки определяется рядом факторов: особенностью заполнения зазора, способом удаления окисной пленки, способом подвода энергии к месту пайки, механизмом формирования паяного шва. В соответствии с этими факторами получили название технологические способы пайки.

                       1.3. Технологические способы пайки металлов

     В процессе пайки реализуются различные  технологические способы или  их сочетания по одному из каждой группы, а иногда и по нескольку в каждой группе. Характеризуя процесс пайки, для краткости обычно указывают один или два наиболее характерных технологических способа пайки.

     При проектировании технологического процесса пайки и определении совместимости металла конструкции (Мк), припоя (Мп) или газовых сред, флюса, вакуума (Мг, Мв, Мф) со способом пайки необходимы данные о допустимости сочетаний технологических способов пайки между собой. [6] Сочетание технологических способов пайки, особенно внутри определенной группы, во многих случаях приводит к появлению качественно новых их способов. Например, при сочетании абразивного и ультразвукового способов пайки появился новый эффективный способ абразивно-кавитационной пайки, при котором устранение окисной пленки происходит под воздействием абразивных частиц, движущихся в ультразвуковом поле.

     Способ  пайки с предварительным абразивным или ультразвуковым лужением — двухэтапный  процесс. При комбинации флюсовой пайки  с пайкой в газовых средах или в вакууме подразумевали возможность флюсования паяемых поверхностей деталей перед пайкой. При комбинации вакуумной пайки с пайкой в газовых средах подразумевается предварительная продувка рабочего объема камеры газом с последующим вакумированием или заполнением камеры газом после вакумирования.

     Капиллярную пайку, при которой припой образуется в результате контактно-реактивного плавления соединяемых металлов, промежуточных покрытий или прокладок, называют контактно - реактивной пайкой. Контактно-реактивное плавление возможно не только между чистыми металлами, но и

металлов  со сплавами или сплавов, если их компоненты образуют системы с эвтектиками или легкоплавкими твердыми растворами.

     Благодаря особенностям контактно-реактивного  плавления появилась возможность введения процесса пайки без предварительного изготовления припоя и закрепления его при сборке. Сравнительно большая скорость образования жидкой фазы и способность ее практически мгновенно смачивать чистые контактирующие поверхности металлов и растекаться по ним обеспечивают большую скорость процесса пайки и хорошее заполнение зазора, а также предотвращение или уменьшение несплошностей в шве, связанных обычно с плохой смачиваемостью паяемых поверхностей жидкими припоями.

     Высокая поверхностная активность эвтектики  в момент ее образования обусловливает возможность проведения контактно - реактивной пайки ряда металлов и сплавов без флюсов в без окислительной атмосфере. [7] При бес флюсовой пайке металлов и сплавов готовые припои эвтектического состава в ряде случаев смачивают хуже.

     При контактно-реактивном плавлении металла  покрытия, например с паяемым металлом, последний расходуется на образование эвтектики, насыщение эвтектики паяемым металлом в соответствии с его растворимостью при температуре пайки, поэтому при оценке пригодности металла покрытия для контактно-реактивного активирования при пайке важнейшее значение имеет содержание в образующейся эвтектике основы паяемого металла, растворимость его в эвтектике при температуре пайки, а также упругость пара в вакууме, характеризующая возможность переноса его через не сплошности в окисной пленке к поверхности паяемого металла. При образовании эвтектик, богатых паяемым металлом, активирование паяемой поверхности может происходить без существенного перегрева сверх эвтектической температуры.

     Реактивно-флюсовой пайкой называют капиллярную пайку, при которой припой образуется в  результате восстановления металла  из флюса или диссоциации одного из его компонентов. Реактивно-флюсовую пайку можно проводитьс флюсом, содержащим легко диссоциирующие химические соединения. Нелетучие металлические компоненты таких соединений, иногда в сочетании  с другими металлами, служат припоями. Летучие компоненты флюсов могут создавать среду, защищающую паяемый шов от окисления.

     Наиболее  изучено и нашло применение восстановление металла из компонентов флюса. Возможность  такого взаимодействия вытекает из термодинамических  условий предпочтительного протекания реакции, в результате которых свободная  энергия системы изменяется на возможно большую величину.

     При пайке алюминия, магния и титана с применением в качестве флюсов хлоридов создаются благоприятные  условия для восстановления из флюсов металлов и их химического взаимодействия с паяемым металлом. Необходимые  компоненты реактивных флюсов этого  типа – соли металлов, чаще всего  хлориды. Сравнительная активность различных металлов представляется так называемым рядом напряжений: Li, K, Pb, Ca, Na, La, Nd, Mg, Be, Al, Zr, Mn, Nb, Cr, Ga, Fe, Cd, In. Co, Ni, Mo, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt. [14] В этом ряду каждый металл способен вытеснять из солей все другие металлы, расположенные правее него. При выборе компонентов реактивных флюсов для пайки различных металлов можно пользоваться этим рядом. Вытесненный металл должен иметь температуру плавления ниже температуры пайки. Только при этом он может служить припоем или активно смачивать паяемый металл, контактно расплавлять его под окисной пленкой и, диспергируя пленку, облегчать таким образом растекание готового припоя по поверхности и затекание его в зазор. Для реактивно флюсовой пайки железа могут быть использованы флюсы, содержащие соли олова, кадмия, меди. С реактивными флюсами может быть осуществлена также напайка.